Способ определения геометрических симплексов в структуре диспергированных систем

Изобретение относится к области испытания свойств материалов и может быть использовано в процессе проектирования оптимального состава композиций строительного назначения. В способе определения геометрического симплекса в структуре диспергированных систем, содержащих твердую и жидкую фазы, определяют объемную массу сухой твердой фазы, плотность жидкой и сухой твердой фаз, массовое соотношение жидкой и сухой твердой фаз, плотность диспергированной системы по формуле и при N_ж/т больше N величины геометрических симплексов рассчитывают по формуле:

,

где r = h_ж/d_cp.т, геометрический симплекс, безразмерная величина; h_ж - толщина прослоек жидкой фазы между телами твердой фазы, мм; d_cp.т - средние линейные размеры тел твердой фазы, мм; ρ_дс - плотность диспергированной системы, кг/м³, определяемая по формуле: ρ_дс=((1+ N_ж/т)· ρ _ж·ρ _т)/(N_ж/т·ρ _т+ρ _ж); ρ _т - плотность сухой твердой фазы, г/см³; γ _т - объемная масса сухой твердой фазы, г/см³; ρ _ж - плотность жидкой фазы, г/см³; ρ _дс - плотность диспергированной системы, г/см³; N_ж/т - массовое соотношение жидкой и сухой твердой фаз, безразмерная величина, N - величина, рассчитываемая по формуле: N = ρ _ж(1/γ _т-1/ρ _т). Технический результат - унификация определения геометрических симплексов в структуре диспергированных систем, снижение объема испытаний исходных материалов, обеспечение возможности проектирования сложных по составу композиций строительного назначения с использованием величин, определяемых по заявленному способу.

 

Изобретение относится к области испытаний и определения свойств материалов и может быть использовано в процессе проектирования оптимального состава композиций строительного назначения.

Известно, что структура наряду с составом системы влияет на свойства композиций и строительных материалов, производимых на их основе (Общий курс строительных материалов. Учебное пособие для вузов. Под ред. И.А.Рыбьева. М.: Высшая школа. 1987. 584 с.).

Элементами структуры диспергированных систем являются твердые тела различной формы и размеров, а также микрообъемы и прослойки жидкой фазы между ними.

Массовое отношение жидкой и твердой фаз в диспергированной системе (N_ж/т=Ж, кг/Т, кг) количественно характеризует состав системы и относится к категории критериальных величин.

Геометрические симплексы (отношение линейных размеров толщины прослоек жидкой и тел твердой фаз) в диспергированных системах количественно характеризуют их структурные особенности и также относятся к категории критериальных величин.

Геометрические симплексы определяют технологические свойства композиций (подвижность, текучесть, удобоукладываемость, характеристики формования).

При h_ж/d_ср.т, стремящемся к нулю, в системе начинают преобладать сдвиговые напряжения, определяемые силами контактного трения между твердыми телами.

При h_ж/d_ср.т, стремящемся к единице, в системе формируются прослойки жидкой фазы, соизмеримые с линейными размерами тел твердой фазы. При этом текучие свойства диспергированной системы повышаются и определяются в основном вязкостью жидкой фазы, содержащей в своем составе микроскопические частицы коллоидного типа, находящиеся в состоянии броуновского движения и не обладающие седиментационной способностью.

Физико-механические характеристики материалов, изготовленных с использованием композиций диспергированного характера, также определяются геометрическими симплексами. Общеизвестно, что при формировании пленок жидкости, соизмеримых с размерами молекул, резко изменяются свойства жидкости. Они определяются силами физико-химического взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела.

Геометрические симплексы, выражающие пропорциональные зависимости между линейными величинами (r=h_ж/d_ср.т), используются для определения объемных коэффициентов раздвижки в теории упаковки твердых тел в различных жидких средах. Явление раздвижки сопровождается увеличением объема системы и его действие имеет радиальное направление. Таким образом, геометрические симплексы являются носителями не только количественной, но и векторной информации.

В основе создания изобретения лежит задача по разработке такого способа, который позволяет унифицировать независимо от природы жидкой и твердой фаз определение геометрических симплексов в структуре диспергированных систем, снизить объем испытаний исходных материалов, повысить точность определяемых величин, а также обеспечить возможность проектирования сложных по составу композиций строительного назначения с использованием величин, определяемых по заявленному способу.

Технический результат выражается в том, что используют объемно-массовые характеристики и массовое отношение жидкой и твердой фаз, являющихся компонентами диспергированнных систем.

Поставленная задача решается тем, что способ определения геометрического симплекса в структуре диспергированных систем, содержащих твердую и жидкую фазы, характеризующийся тем, что определяют объемную массу сухой твердой фазы, плотность жидкой и сухой твердой фаз, массовое соотношение жидкой и сухой твердой фаз, плотность диспергированной системы по формуле и при N_ж/т больше N величины геометрических симплексов рассчитывают по формуле:

где r=h_ж/d_cp.т, геометрический симплекс, безразмерная величина,

h_ж - толщина прослоек жидкой фазы между телами твердой фазы, мм;

d_cp.т - средние линейные размеры тел твердой фазы, мм;

ρ _дс - плотность диспергированной системы, кг/м³, определяемая по формуле:

ρ_дс=((1+N_ж/т)· ρ _ж·ρ _т)/(N_ж/т·ρ _т+ρ _ж);

ρ _т - плотность сухой твердой фазы, г/см³;

γ _т - объемная масса сухой твердой фазы, г/см³;

ρ _ж - плотность жидкой фазы, г/см³;

ρ _дс - плотность диспергированной системы, г/см³;

N_ж/т - массовое соотношение жидкой и сухой твердой фаз, безразмерная величина,

N - величина, рассчитываемая по формуле:

N=ρ _ж(1/γ _т-1/ρ _т).

Р_дс=((1+N_ж/т)· ρ _ж·ρ _т)/(N_ж/т·ρ _т+ρ _ж) и при N_ж/т больше N=ρ _ж (1/γ _т-1/ρ _т) величины геометрических симплексов рассчитывают по формуле:

,безразмерная величина.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример 1. Для определения геометрических симплексов в цементном тесте определяют плотность цемента, она равна ρ _ц=3,06 г/см³, объемную массу сухого цемента, она равна γ _ц=1,45 г/см³, плотность воды равна ρ _ж=1,0 г/см³.

Для приведенных данных водоцементное отношение составит величину

N=ρ _ж((ρ _т-γ _т)/(γ _т·ρ _т))=(ρ _ц-γ _ц)/(γ _ц·ρ _ц);

N=(3,06-1,45)/(1,45· 3,06)=1, 610/4,437=0,363, безразмерная величина.

Определяют плотность цементного теста при значениях N больше 0,363.

При N=0,370 плотность цементного теста равна:

ρ _цт=((1+0,370)· 1,0· 3,06)/(0,370· 3,06+1,0)=4,192/2,132=1,966 г/см³, а геометрический симплекс, определяемый по формуле

, равен

При d_cp.ц=0,002 мм (2 мкм)

h_в=0,002 мм· 0, 0037=0,0000074 мм (0,0074 мкм).

При d_ср.ц=0,008 мм (8 мкм)

h_в=0,008 мм· 0, 0037=0,0000296 мм (0,0296 мкм).

При N=0,4 плотность цементного теста равна

ρ _цт=((1+0,4)· 1,0· 3,06)/(0,4· 3,06+1,0)=4,284/2,224=1,926 г/см³, а геометрический симплекс, определяемый по формуле

равен

При d_cp.ц=0,002 мм (2 мкм)

h_в=0,002 мм· 0,0177=0,0000354 мм (0,0354 мкм).

При d_cp.ц=0,008 мм (8 мкм)

h_в=0,008 мм· 0,0177=0,000142 мм (0,142 мкм).

Пример 2. Исходные данные аналогичны примеру 1. Используют цемент с объемной массой γ _ц=1,63 г/см³, при этом водоцементное отношение составит величину:

N=(ρ _ц-γ _ц)/(γ _ц·ρ _ц)=(3,06-1,63)/(1,63· 3,06)=1,430/4,988=0,287, безразмерная величина.

Определяют плотность цементного теста при значениях N больше 0,287.

При N=0,290 плотность цементного теста равна:

ρ _цт=((1+0,290)· 1,0· 3,06)/(0,290· 3,06+1,0)=3,947/1,887=2,092 г/см³, а геометрический симплекс, определяемый по формуле

равен

При d_ср.ц=0,002 мм (2 мкм)

h_в=0,002 мм· 0,138=0,0000354 мм (0,0354 мкм).

При d_ср.ц=0,008 мм (8 мкм)

h_в=0,008 мм· 0,138=0,0011 мм (1,1 мкм)

При N=0,4 плотность цементного теста равна

ρ _цт=((1+0,4)· 1,0· 3,06)/(0,4· 3,06+1,0)=4,284/2,224=1,926 г/см³, геометрический симплекс, определяемый по формуле

равен

При d_cp.ц=0,002 мм (2 мкм)

h_в=0,002 мм· 0,058=0, 000116 мм (0,116 мкм).

При d_cp.ц=0,008 мм (8 мкм)

h_в=0,008 мм· 0,058=0,000464 мм (1,1 мкм).

Пример 3. Для определения геометрических симплексов в асфальтовом вяжущем веществе определяют плотность минерального порошка (известняковая мука), она равна ρ _мп=2,712 г/см³, объемную массу сухого минерального порошка, виброуплотненного под пригрузом, она равна γ _мп=1,48 г/см, плотность битума, она равна ρ _б=1,02 г/см³.

Для приведенных данных битумоминеральное отношение составит величину, равную N=1,02((2,71-1,48)/(1,48-2,71))=1,02 (1,230/4,011)=0,313.

Определяют плотность асфальтового вяжущего вещества (ABB) при значениях N больше 0,313. При N=0,320 плотность ABB равна:

ρ _авв=((1+0,320)· 1,02· 2,71)/(0,320· 2,71+1,02)=1,934 г/см³, а геометрический симплекс, определяемый по формуле

, равен

При d_cp.мп=0,002 мм (2 мкм)

h_б=0,002 мм· 0,0034=0,0000068 мм (0,0068 мкм).

При d_cp.мп=0,008 мм (8 мкм)

h_б=0,008 мм· 0,0034=0,0000272 мм (0,0272 мкм).

При N=0,5 плотность асфальтового вяжущего вещества равна

Р_авв=((1+0,5)· 1,02· 2,71)/(0,5· 2,71+1,02)=1,746 г/см³,

а геометрический симплекс равен

.

При d_cp.мп=0,002 мм (2 мкм)

h_б=0,002 мм· 0,0832=0,000116 мм (0,116 мкм).

При d_cp.мп=0,008 мм (8 мкм)

h_б=0,008 мм· 0,0832=0,000666 мм (0,666 мкм).

Пример 4. Исходные данные аналогичны примеру 3. Используют минеральный порошок, подвергнутый уплотнению при давлении 40 МПа, объемная масса уплотненного порошка равна γ _мп=1,88 г/см³. При этом битумоминеральное отношение составит величину, равную:

N=ρ _б((ρ _мп-γ _мп)/(γ _мп·ρ _мп))=1,02((2,71-1,88)/(1,88· 2,71))=0,166.

Определяют плотность асфальтового вяжущего вещества (ABB) при значениях N больше 0,166.

При N=0,2 плотность АВВ равна:

ρ _авв=((1+0,2)· 1,02· 2,71)/(0,2· 2,71+1,02)=2,124 г/см³, а геометрический симплекс, определяемый по формуле

.

При d_cp.мп=0,002 мм (2 мкм)

h_В=0,002 мм· 0,023=0,000046 мм (0,046 мкм).

При d_cp.мп=0,008 мм (8 мкм)

h_в=0,008 мм· 0,023=0,000184 мм (0,184 мкм).

При N=0,5 плотность ABB равна

ρ _авв=((1+0,5)· 1,02· 2,71)/(0,5· 2,71+1,02)=1,746 г/см³,

а геометрический симплекс равен

При d_cp.мп=0,002 мм (2 мкм)

h_б=0,002 мм· 0,174=0,000348 мм (0,348 мкм).

При d_cp.мп=0,008 мм (8 мкм)

h_б=0,008 мм· 0,174=0,00139 мм (1,39 мкм).

Заявленный способ определения геометрических симплексов в структуре диспергированных систем обладает универсальностью и применим к любым системам, состоящим из жидкой и твердой фаз. Физические величины, количественно характеризующие свойства твердой и жидкой фаз, можно получить в любой производственной лаборатории строительного или дорожно-строительного профиля. Для определения показателей физических свойств исходных компонентов используются стандартные методики испытания дорожно-строительных материалов.

Геометрические симплексы как мера количественной оценки линейных величин элементов структуры диспергированных систем используются для определения объемных коэффициентов раздвижки (разбавления) в процессе проектирования оптимальных составов бетонных и асфальтобетонных смесей с заданным комплексом физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств.

Способ определения геометрического симплекса в структуре диспергированных систем, содержащих твердую и жидкую фазы, характеризующийся тем, что определяют объемную массу сухой твердой фазы, плотность жидкой и сухой твердой фаз, массовое соотношение жидкой и сухой твердой фаз, плотность диспергированной системы по формуле и при N_ж/т больше N величины геометрических симплексов рассчитывают по формуле

где r = h_ж/d_cp.т, геометрический симплекс, безразмерная величина,

h_ж - толщина прослоек жидкой фазы между телами твердой фазы, мм;

d_cp.т - средние линейные размеры тел твердой фазы, мм;

ρ_дс - плотность диспергированной системы, кг/м³, определяемая по формуле

ρ_дс=((1+ N_ж/т)· ρ _ж·ρ _т)/(N_ж/т·ρ _т+ρ _ж);

ρ _т - плотность сухой твердой фазы, г/см³;

γ _т - объемная масса сухой твердой фазы, г/см³;

ρ _ж - плотность жидкой фазы, г/см³;

ρ _дс - плотность диспергированной системы, г/см³;

N_ж/т - массовое соотношение жидкой и сухой твердой фаз, безразмерная величина,

N - величина, рассчитываемая по формуле

N = ρ _ж(1/γ _т-1/ρ _т).